Wzrost temperatury ciepła odpadowego nie jest niestety uzyskiwany bezkosztowo – pompy ciepła wymagają zewnętrznego źródła energii mechanicznej lub termicznej. Dlatego celem jest stworzenie systemu odzysku ciepła, w którym korzyści z wykorzystania ciepła odpadowego będą przewyższać koszty zasilania pompy. Jego opłacalność zależy od ilości energii, która będzie zużywana i tej, którą uda się zaoszczędzić.
Pompy ciepła działają z wykorzystaniem obiegu termodynamicznego Carnota. Aby go lepiej zrozumieć, warto sięgnąć do porównania z cyklem Rankine’a, na którym opiera się zasada pracy turbin parowych.
OBIEGI RANKINE’A I CARNOTA
W pierwszym etapie cyklu Rankine’a woda zostaje wpompowana do kotła, w którym następnie jest podgrzewana, wskutek czego ulega odparowaniu, a powstała para – przegrzaniu. W kolejnym kroku para rozpręża się w turbinie, oddając energię przez wykonanie pracy mechanicznej, która następnie zostaje zamieniona na energię elektryczną w generatorze. W ostatnim etapie rozprężona para trafia do skraplacza, gdzie w procesie kondensacji oddaje ciepło. Odzyskana woda wraca do pompy i cykl się powtarza.
Natomiast w pierwszym etapie cyklu Carnota gaz jest podgrzewany ciepłem ze źródła o wysokiej temperaturze, co powoduje jego rozprężenie. Podczas rozprężania czynnik gazowy wykonuje pracę na tłoku, przesuwając go. W tym kroku jego temperatura się nie zmienia, ponieważ cała energia, którą odbiera w postaci ciepła z zewnątrz, jest zamieniana na ruch tłoka (wzrost energii wewnętrznej jest równy 0). Gdy skończy się dopływ ciepła z zewnętrznego źródła, gaz nadal się rozpręża, ale już bez wymiany ciepła z otoczeniem, kosztem swojej wewnętrznej energii. W rezultacie temperatura czynnika gazowego zmniejsza się. W kolejnym etapie tłok zaczyna powoli ściskać gaz, a ten oddaje ciepło do zimniejszego otoczenia. W tym kroku energia wewnętrzna układu pozostaje stała, gdyż cała praca wykonana nad gazem znajduje ujście w postaci oddawanego ciepła. Następnie gaz jest dalej sprężany, ale już bez wymiany ciepła, a jego temperatura rośnie. Energia wewnętrzna układu wówczas zwiększa się, gdyż praca wykonana nad czynnikiem gazowym podnosi jego temperaturę. Ilość pracy potrzebnej do zasilenia pompy ciepła jest uwarunkowana tym, o ile ma zostać podniesiona temperatura ciepła odpadowego.
MECHANICZNE POMPY CIEPŁA
Wszystkie typy pomp ciepła realizują te same trzy podstawowe funkcje: odzyskanie energii termicznej ze strumienia ciepła odpadowego, podwyższenie jego temperatury oraz dostarczenie użytecznego ciepła o odpowiednio wysokiej temperaturze do odbiornika. Popularnym typem są mechaniczne pompy ciepła, na przykładzie których przedstawimy, jak te funkcje zostają zrealizowane w praktyce.
W urządzeniach tych ciepło odpadowe jest dostarczane do parownika, w którym czynnik roboczy zostaje odparowany. Potem sprężarka zwiększa jego ciśnienie, co z kolei podnosi jego temperaturę skraplania. W kolejnym kroku czynnik roboczy ulega kondensacji w skraplaczu, przekazując ciepło o wyższej temperaturze do strumienia procesowego, który ma zostać ogrzany.
Oszczędności uzyskiwane dzięki pompie ciepła zależą od przyrostu temperatury, czyli w przypadku pomp mechanicznych – różnicy pomiędzy temperaturą w parowniku a temperaturą w skraplaczu oraz od kosztu energii elektrycznej zasilającej sprężarkę. Generalnie koszt ciepła dostarczanego przez pompę ciepła jest niższy niż koszt paliwa, które zostałoby zużyte do jego wytworzenia. Oszczędność staje się jednak tym mniejsza, im większy okazuje się przyrost temperatury, gdyż wymaga to włożenia większej pracy. Zysk jest natomiast tym większy, im tańsza pozostaje energia elektryczna i im wyższa temperatura ciepła odpadowego. W warunkach przemysłowych typowy okres zwrotu inwestycji w zakup pompy ciepła wynosi od dwóch do pięciu lat.
TYPY POMP CIEPŁA
Mechaniczne pompy ciepła w układzie zamkniętym w celu zwiększenia temperatury wykorzystują zatem sprężanie mechaniczne czynnika roboczego. Jest to zazwyczaj powszechnie używany czynnik chłodniczy. Większość popularnych napędów mechanicznych sprawdza się w pompach ciepła tego rodzaju – przykłady to silniki elektryczne i silniki spalinowe.
Kolejnym typem są mechaniczne pompy ciepła z otwartym obiegiem i ze sprężaniem pary. W tym przypadku sprężarka mechaniczna jest wykorzystywana do zwiększenia ciśnienia pary odpadowej, która stanowi czynnik roboczy. Pompy tego rodzaju pracują w układzie otwartym, gdyż czynnik roboczy stanowi zarazem strumień procesowy.
Z kolei absorpcyjne pompy ciepła działają w układzie zamkniętym i wykorzystują dwuskładnikowy czynnik roboczy. Zapewniają one znacznie większy przyrost temperatury niż pompy innych typów, ich sprawność energetyczna nie spada gwałtownie przy dużym przyroście temperatury oraz mogą być, po odpowiednim skonfigurowaniu, stosowane do jednoczesnego grzania i chłodzenia.
Absorpcyjna pompa zawiera zwykle cztery wymienniki ciepła: parownik, skraplacz, desorber i absorber. Do desorbera doprowadzana jest energia pierwotna o wysokiej temperaturze. Z czynnika roboczego odparowana zostaje w nim para pod dużym ciśnieniem. Następnie ulega ona kondensacji w skraplaczu, a uzyskane w tym procesie ciepło przekazywane jest do strumienia procesowego. W kolejnym etapie kondensat przechodzi przez zawór dławiący do parownika, gdzie ciepło odpadowe jest wykorzystywane do jego odparowania. Tymczasem w absorberze stężony czynnik roboczy z desorbera wchodzi w kontakt z parą z parownika, co powoduje wydzielanie ciepła, które także jest odzyskiwane do ogrzania strumienia procesowego. Następnie czynnik roboczy wraca do desorbera, aby zamknąć cykl.
KIEDY POMPA SIĘ OPŁACA?
Ocena opłacalności inwestycji w pompę ciepła obejmuje kilka etapów, które pozwalają stwierdzić, czy takie urządzenie będzie odpowiednie do konkretnej instalacji odzysku ciepła. Najpierw należy ustalić, czy pompa ciepła w ogóle może zostać wykorzystana, biorąc pod uwagę specyfikę procesu i dostępność strumienia ciepła odpadowego. Kolejnym krokiem jest ocena różnych rodzajów pomp ciepła, by określić, który typ w danych warunkach będzie najlepszy. Następnie przeprowadza się ogólną analizę kosztów i korzyści, pozwalającą oszacować potencjalne oszczędności energii w stosunku do nakładów na zakup i eksploatację urządzenia. Ostatni krok to szczegółowe zestawienie kosztów i spodziewanych korzyści. Przejście tych etapów pozwala ocenić zarówno techniczne możliwości, jak i ekonomiczną opłacalność inwestycji.
Analizując powyższe kwestie, pod uwagę trzeba wziąć zarówno czynniki, które sprzyjają wdrożeniu pompy ciepła, jak i te niekorzystne. Dalej przedstawiamy przykłady tych pierwszych.
Jeżeli proces obejmuje parowanie, można oczekiwać wysoce efektywnej pracy pompy ciepła. Gdy dostępne są strumienie procesowe o temperaturze już co najmniej +100°C, które – jeśli nie zostaną inaczej spożytkowane – są schładzane albo odprowadzane do ścieków, często wystarczy to, żeby były użyteczne, a jednocześnie, by nie był wymagany duży przyrost temperatury w pompie ciepła. Zakup tego urządzenia warto rozważyć również wtedy, gdy strumienie wody, powietrza albo innych mediów procesowych wymagają podgrzewania od temperatury pokojowej do temperatury rzędu +100°C i w tym celu wykorzystuje się parę lub paliwo – pompy ciepła mogą bowiem znacznie efektywniej dostarczać ciepło w tym zakresie temperatur. Sprzyjająca jest również sytuacja, w której parę o niskim ciśnieniu odprowadza się do atmosfery albo skrapla, ponieważ takie medium jest źródłem ciepła odpadowego, które pompa może z dużą sprawnością wykorzystać.
Generalnie im bardziej energochłonny proces, tym większe oszczędności można uzyskać. Dodatkowo, jeśli energia elektryczna okazuje się tańsza niż paliwo, całkowity koszt energii cieplnej dostarczanej przez pompę ciepła będzie niższy. Zasadniczo również im wyższe ceny energii, prądu i paliwa, tym większe oszczędności w stosunku do kosztów pompy. To skraca czas zwrotu inwestycji.
Z drugiej strony, jeżeli ciepło odpadowe ma zbyt niską temperaturę w stosunku do potrzeb procesu, w związku z czym wymagany przyrost temperatury okazuje się większy niż 50°C, nad inwestycją w pompę ciepła trzeba się dobrze zastanowić. Wprawdzie nie jest to automatycznie czynnik dyskwalifikujący, jednak duże przyrosty temperatury powodują wzrost ostatecznego kosztu dostarczanego ciepła, zwłaszcza przez mechaniczne pompy ciepła. Alternatywnie, wymóg dużego przyrostu temperatury sugeruje zakup absorpcyjnej pompy ciepła, której koszt początkowy jest jednak często wyższy niż mechanicznej.
Zastanowić się trzeba również wówczas, gdy strumień ciepła odpadowego ma niewielki przepływ i szybko się ochładza, nawet jeżeli może wydawać się użyteczny ze względu na wysoką temperaturę. W takim bowiem przypadku pompa ciepła będzie musiała zapewnić większy przyrost temperatury, aby to skompensować.
POMPY CIEPŁA W PRZEMYŚLE
W zastosowaniach przemysłowych pompy ciepła odnajdujemy m.in. w suszeniu drewna. W przykładowej realizacji ciepłe, wilgotne powietrze wylotowe z suszarni stanowi źródło ciepła odpadowego dla mechanicznej pompy ciepła, która następnie podgrzewa powietrze nawiewane.
Mechaniczne pompy ciepła z otwartym obiegiem i ze sprężaniem pary są wykorzystywane m.in. w procesie rafinacji cukru, w którym duże ilości wody muszą zostać odparowane z roztworu cukru, by możliwa była jego krystalizacja. Z kolei z pomp ciepła z termokompresją korzysta się np. w suszarniach papieru. Urządzenia te są podobne do pomp ciepła ze sprężaniem mechanicznym pod tym względem, że para także jest w nich sprężana w taki sposób, aby skraplała się przy wyższym ciśnieniu i temperaturze – ale zamiast napędu mechanicznego używany jest termokompresor.
Przykłady procesów, w których korzysta się z pomp ciepła, to także destylacja produktów naftowych oraz petrochemicznych, zagęszczanie czarnego ługu w produkcji masy celulozowej, roztworów odpadowych w produkcji alkoholu, mleka i serwatki w produkcji nabiału i odpadów radioaktywnych w elektrowniach jądrowych, odsalanie wody morskiej w produkcji wody pitnej oraz podgrzewanie roztworów procesowych w przemyśle galwanicznym.
Monika Jaworowska
